Paliwo jądrowe: rodzaje, produkcja, przetwarzanie. Uran-235

Paliwo jądrowe jest materiałem stosowanym w reaktorach jądrowych do prowadzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Jest niezwykle energochłonny i niebezpieczny dla ludzi, co nakłada szereg ograniczeń na jego stosowanie. Dzisiaj dowiemy się, czym jest paliwo jądrowe, w jaki sposób jest klasyfikowane i produkowane, gdzie jest używane.

Reakcja łańcuchowa

Podczas jądrowej reakcji łańcuchowej jądro dzieli się na dwie części, które nazywane są fragmentami rozszczepienia. W tym samym czasie uwalnianych jest kilka (2-3) neutronów, które następnie powodują rozszczepienie kolejnych jąder. Proces zachodzi, gdy neutron wchodzi do jądra pierwotnej substancji. Fragmenty rozszczepienia mają dużą energia kinetyczna. Ich hamowaniu w materii towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości ciepła.

Fragmenty rozszczepienia, wraz z ich produktami rozpadu, nazywane są produktami rozszczepienia. Jądra, które są podzielone przez neutrony dowolnej energii, nazywane są paliwem jądrowym. Z reguły są to substancje o nieparzystej liczbie atomów. Niektóre jądra dzielą się czysto neutronami, których energia przekracza pewną wartość progową. Są to głównie pierwiastki o parzystej liczbie atomów. Takie jądra nazywane są surowcami, ponieważ w momencie wychwytywania neutronów tworzą się jądra prochowe jądra jądra. Połączenie paliwa i surowca nazywa się zatem paliwem jądrowym.

Klasyfikacja

Paliwo jądrowe dzieli się na dwie klasy:

1. Naturalny uran. Zawiera jądra rozszczepialne uranu-235 i surowce uranu-238, które są zdolne do tworzenia plutonu-239 po wychwyceniu neutronu.
2. Wtórne paliwo nie występujące w przyrodzie. Obejmuje to między innymi pluton-239, który otrzymuje się z paliwa pierwszego rodzaju, a także uran-233, powstały podczas wychwytywania neutronów przez jądra toru-232.

Pod względem składu chemicznego istnieją te rodzaje paliwa jądrowego:

1. Metal (w tym stopy);
2. Tlenek (na przykład UO2);
3. Węglik (na przykład PuC _1-x );
4. Mieszane;
5. Azotek.

TVEL i TVS

Paliwo dla reaktory jądrowe stosowane w postaci małych tabletek. Umieszczono je w hermetycznie zamkniętych elementach paliwowych (TVEL), które z kolei kilkaset łączy się w zespoły paliwowe (FA). Paliwo jądrowe ma wysokie wymagania dotyczące zgodności z okładzinami paliwowymi. Powinien mieć wystarczającą temperaturę topnienia i parowania, dobrą przewodność cieplną i nie znacznie zwiększać objętości podczas napromieniania neutronami. Uwzględniono również możliwości produkcyjne produkcji.

Aplikacja

Włączone elektrownie jądrowe i inne instalacje jądrowe paliwa ma postać zespołów paliwowych. Mogą być ładowane do reaktora zarówno podczas jego pracy (w miejscu spalonych zespołów paliwowych), jak i podczas kampanii naprawczej. W tym ostatnim przypadku zespoły paliw zmieniają się w dużych grupach. Jednak tylko jedna trzecia paliwa jest całkowicie wymieniona. Najbardziej spalone zespoły są wyładowywane ze środkowej części reaktora, a częściowo spalone zespoły, które wcześniej znajdowały się w mniej aktywnych obszarach, są na ich miejsce. W związku z tym nowe zespoły paliw są instalowane zamiast tych ostatnich. Ten prosty schemat przegrupowania jest uważany za tradycyjny i ma wiele zalet, z których głównym jest zapewnienie jednolitego uwalniania energii. Oczywiście jest to konwencjonalny schemat, który daje jedynie ogólne wyobrażenia na temat procesu.

Narażenie

Po usunięciu zużytego paliwa jądrowego z rdzenia reaktora, jest on przesyłany do basenu, który z reguły znajduje się w pobliżu. Faktem jest, że złoża wypalonego paliwa zawierają ogromną ilość fragmentów rozszczepienia uranu. Po rozładowaniu z reaktora każdy TVEL zawiera około 300 tysięcy Curie substancji radioaktywnych, które emitują 100 kW / godzinę energii. Dzięki temu paliwo ulega samoczynnemu nagrzewaniu i staje się wysoce radioaktywne.

Temperatura nowo rozładowanego paliwa może osiągnąć 300 ° C. Dlatego trzyma się go przez 3-4 lata pod warstwą wody, której temperatura utrzymuje się w zalecanym zakresie. Ponieważ jest przechowywany pod wodą, radioaktywność paliwa i moc jego resztkowego wydzielania zmniejsza się. Po około trzech latach samozagrzewanie zespołu paliwowego osiąga już 50-60 ° C. Następnie paliwo jest usuwane z basenów i wysyłane do recyklingu lub utylizacji.

Metal uranu

Metaliczny uran jest stosunkowo rzadko używany jako paliwo do reaktorów jądrowych. Kiedy substancja osiąga temperaturę 660 ° C, następuje przemiana fazowa, której towarzyszy zmiana jej struktury. Mówiąc najprościej, zwiększa się objętość uranu, co może prowadzić do zniszczenia elementu paliwowego. W przypadku długotrwałego napromieniowania w temperaturze 200-500 ° C, substancja jest poddawana wzrostowi promieniowania. Istotą tego zjawiska jest wydłużenie napromieniowanego pręta uranu 2-3 razy.

Użycie metalicznego uranu w temperaturach powyżej 500 ° C jest utrudnione z powodu jego pęcznienia. Po podziale jądra powstają dwa fragmenty, których całkowita objętość przekracza objętość samego jądra. Niektóre fragmenty rozszczepienia są reprezentowane przez atomy gazu (ksenon, krypton itp.). Gaz gromadzi się w porach uranu i tworzy wewnętrzne ciśnienie, które rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Zwiększając objętość atomów i zwiększając ciśnienie gazów, paliwo jądrowe zaczyna puchnąć. Oznacza to zatem względną zmianę wolumenu związaną z rozszczepieniem jądrowym.

Siła pęcznienia zależy od temperatury prętów paliwowych i wypalenia. Wraz ze wzrostem wypalenia zwiększa się liczba fragmentów rozszczepienia, a wraz ze wzrostem temperatury i wypalenia następuje wewnętrzne ciśnienie gazów. Jeśli paliwo ma wyższe właściwości mechaniczne, jest mniej podatne na obrzęki. Uran metaliczny nie ma zastosowania do takich materiałów. Dlatego też jego wykorzystanie jako paliwa do reaktorów jądrowych ogranicza głębokość wypalenia, która jest jedną z głównych cech tego paliwa.

Mechaniczne właściwości uranu i jego odporność na promieniowanie ulegają poprawie dzięki dopingowi materiału. Proces ten obejmuje dodanie aluminium, molibdenu i innych metali. Z powodu dodatków dopingowych zmniejsza się liczba neutronów rozszczepienia wymaganych na wychwytywanie. Dlatego do tych celów wykorzystuje się materiały słabo pochłaniające neutrony.

Związki ogniotrwałe

Niektóre wysokotopliwe związki uranu są uważane za dobre paliwo jądrowe: węgliki, tlenki i związki międzymetaliczne. Najbardziej powszechnym z nich jest dwutlenek uranu (ceramika). Jego temperatura topnienia wynosi 2800 ° С, a jej gęstość wynosi 10,2 g / cm ³ .

Ponieważ materiał ten nie ma przejść fazowych, jest mniej podatny na spęcznianie niż stopy uranu. Dzięki tej funkcji temperatura wypalania może zostać zwiększona o kilka procent. W wysokich temperaturach ceramika nie oddziałuje z niobem, cyrkonem, stalą nierdzewną i innymi materiałami. Jego główną wadą jest niskie przewodnictwo cieplne - 4,5 kJ (m * K), co ogranicza gęstość mocy reaktora. Ponadto, gorąca ceramika jest podatna na pękanie.

Pluton

Pluton jest uważany za metal niskotopliwy. Topi się w 640 ° C. Z powodu słabych właściwości plastycznych praktycznie niemożliwe jest obrabianie. Toksyczność substancji komplikuje technologię wytwarzania elementów paliwowych. W przemysł jądrowy Próby użycia plutonu i jego związków były wielokrotnie dokonywane, ale nie powiodły się. Wykorzystanie paliwa w elektrowniach jądrowych zawierających pluton jest niepraktyczne z powodu około dwukrotnego skrócenia okresu przyspieszania, do którego nie są przeznaczone standardowe układy sterowania reaktorem.

Do produkcji paliwa jądrowego stosuje się zwykle ditlenek plutonu, stopy plutonu z minerałami oraz mieszaninę węglików plutonu z węglikami uranu. Paliwa dyspersyjne mają wysokie właściwości mechaniczne i przewodność cieplną, w których cząstki związków uranu i plutonu są umieszczane w metalowej matrycy molibdenu, aluminium, stali nierdzewnej i innych metali. Odporność na promieniowanie i przewodność cieplna paliwa dyspersyjnego zależy od materiału matrycy. Na przykład w pierwszej elektrowni jądrowej paliwo dyspersyjne składało się z cząstek stopu uranu z 9% molibdenu, które zostały zalane molibdenem.

Jeśli chodzi o paliwo torowe, dziś nie jest on używany ze względu na trudności w produkcji i przetwarzaniu elementów paliwowych.

Górnictwo

Znaczne ilości głównego surowca dla paliwa jądrowego - uran są skoncentrowane w kilku krajach: Rosji, USA, Francji, Kanadzie i Południowej Afryce. Jego depozyty, z reguły, znajdują się w pobliżu złota i miedzi, dlatego wszystkie te materiały są wydobywane jednocześnie.

Zdrowie ludzi pracujących nad rozwojem jest narażone na wielkie niebezpieczeństwo. Faktem jest, że uran jest materiałem toksycznym, a gazy uwalniane podczas jego ekstrakcji mogą powodować raka. I to pomimo faktu, że ruda zawiera nie więcej niż 1% tej substancji.

Pierwsze

Produkcja paliwa jądrowego z rudy uranu obejmuje następujące etapy:

1. Przetwarzanie hydrometalurgiczne. Obejmuje wymywanie, kruszenie i ekstrakcję lub ekstrakcję sorpcji. Wynikiem obróbki hydrometalurgicznej jest oczyszczona zawiesina hydroksyhydroksyurenu, diuranianu sodu lub diuranianu amonu.
2. Przeniesienie substancji z tlenku na tetrafluorek lub sześciofluorek stosowany do wzbogacania uranu-235.
3. Wzbogacanie substancji przez wirowanie lub dyfuzję termiczną gazu.
4. Konwersja wzbogaconego materiału w dwutlenek, z którego produkowane są pastylki TVEL.

Regeneracja

Podczas pracy reaktora jądrowego paliwo nie może całkowicie wypalić się, dlatego reprodukowane są wolne izotopy. W związku z tym zużyte elementy paliwowe podlegają regeneracji do ponownego użycia.

Obecnie problem ten rozwiązuje proces pyureksowy składający się z takich etapów jak:

1. Cięcie prętów paliwowych na dwie części i rozpuszczanie ich w kwasie azotowym;
2. Czyszczenie roztworu z produktów rozszczepienia i części skorupy;
3. Izolacja czystego uranu i związków plutonu.

Następnie uzyskany dwutlenek plutonu trafia do produkcji nowych rdzeni, a uran - do wzbogacania lub wytwarzania rdzeni. Ponowne przetwarzanie paliwa jądrowego jest złożonym i kosztownym procesem. Jego koszt ma znaczący wpływ na ekonomiczną opłacalność korzystania z elektrowni jądrowych. To samo można powiedzieć o składowaniu odpadowego paliwa jądrowego, które nie nadaje się do regeneracji.